بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به شبیهسازی تولید رادیوایزوتوپهای اسکاندیم از طریقه پرتابه پروتون پرداختیم. در ابتدا تمام کانالهایی که از طریق پرتابه پروتون منجر به تولید رادیوایزوتوپهای اسکاندیم میشود را مورد بررسی قرار دادیم. سطح مقطع این واکنشها با استفاده از کد تالیس1محاسبه و با سطح مقطعهای تجربی مقایسه می-شود. چند واکنش به عنوان واکنشهای مناسب برای تولید رادیوایزوتوپهای Sc در بازه انرژی مناسب انتخاب شده و ضخامت هدف در واکنشهای مورد نظر به وسیله کد سریم2تعیین میشود. با استفاده از کد MCNPX و شبیهسازی توزیع شار پروتونها در هدف، بهره تولید محاسبه میشود. بهره تولید به دست آمده از طریق شبیهسازی با نتایج تجربی موجود و همچنین بهره تولید نظری مقایسه میشود.
مقدمه
تنوع در نیمهعمر ایزوتوپهای اسکاندیم، آن را به یک عنصر کلیدی در کاربردهای هستهای تبدیل کرده است. از جمله رادیوایزوتوپهای 48Sc , 47Sc, 46Sc 44Sc , 43Sc برای تشخیص و درمان در پزشکی هستهای مفید هستند .[1] برای مثال44Sc, 43Sc که پوزیترونزا میباشند با داشتن نیمهعمرهای طولانی 3/89 h و h 3/79 نسبت به سایر رادیوایزوتوپهای استفاده شده در PET باعث میشود که بتوان آنها را در یک مرکز سیکلوترون تولید کرد و برای مصارف پزشکی به بیمارستانها انتقال داد. یکی دیگر از رادیوایزوتوپها اسکاندیم 47Sc با نیمه عمر 3/35 d میباشد که بتازا است و به خاطر انرژی کم ذره بتا، قابلیت تخریب تومورها، بدون تخریب بیش از حد بافت، را دارد .[2]
یک روش برای بررسی به حداکثر رساندن تولید رادیوایزوتوپها و به حداقل رساندن هزینههای مرتبط با آن استفاده از شبیهسازی قبل از آزمایش میباشد که به وسیله آن میتوان آلودگی هدف با دیگر رادیوایزوتوپها به ویژه رادیوایزوتوپهایی که جدا کردن آن از هدف مشکل است و باعث افزایش دز رادیودارو به بیمار می- شود را مورد بررسی قرار داد .[3]
روش کار
ابتدا تمام واکنشهایی که منجر به تولید رادیو ایزوتوپهای اسکاندیم نظیر، 49Sc, 48Sc, 47Sc, 46Sc, 44Sc, 44mSc 43Sc باپرتابه پروتون میشود را مورد بررسی قرار دادیم - جدول . - 1 سپس تابع برانگیختگی این واکنشها را دربازه انرژی 90 MeV؛0 محاسبه کردیم. در این محاسبات از کد تالیس استفاده کردیم. سپس اطلاعات خروجی کد یعنی تمام ایزوتوپهایی که ممکن است تولید شوند و سطح مقطع هر ایزوتوپ - برحسب - mb در بازه انرژی 90 MeV؛0 را مورد بررسی قرار دادیم.
لازم به ذکر است عناصر غیر ایزوتوپی تولید شده را مورد بررسی قرار نگرفتند چون میتوانیم این ناخالصیهای غیر ایزوتوپی را به روش شیمیایی جدا کنیم. بهترین واکنشها و بازه انرژی مناسب آنها که منجر به تولید بهینه رادیوایزوتوپهای اسکاندیم میشوند در جدول 2 آمده است، که معیار ما برای انتخاب واکنشها و بازه انرژی بهینه آنها، واکنشهایی با سطح مقطع بالا، وجود نداشتن و یا کم بودن ناخالصیهای رادیوایزوتوپی با نیمه عمر نسبتا بالا در بازه انرژی مورد نظر بود - شکل 1 تا .
مناسبی که بدست آوردهایم را باسطح مقطعهای تجربی موجود مقایسه میکنیم تا صحت کار را بسنجیم که با توجه به شکلهای 5، 6 و7 توافق نسبتا خوبی بین نتایج تجربی وتئوری وجود دارد. سپس به شبیهسازی واکنشهای مورد نظر به وسیله کد MCNPX پرداختیم که در این شبیهسازی هندسه هدف را استوانهای شکل وچشمه را به صورت صفحهای در نظر گرفتیم که 3 cm از هدف فاصله دارد. با استفاده از کد سریم و با توجه به رابطه بین انرژی ذره پرتابه و برد آن در هدف مورد نظر، ضخامت هدف برای هر واکنش محاسبه میشود.
همچنین انرژی پرتابه را با استفاده از کد سریم برای هر واکنش بدست آوردیم. تابع توزیع شار نرمالیزه شده پروتون بر حسب انرژی با استفاده ازتالی F4 از کد MCNPX برای هر واکنش بدست آمده و بیشینه خطا در شبیهسازیها برابر با 2% است. اکتیویته رادیوایزوتوپهای مورد نظر با توجه به رابطه زیر [4] از طریق برنامه MATLAB به روش سیمپسون محاسبه میکنیم و با اکتیویته محاسبه شده در قسمت قبل مقایسه میکنیم. که در آن ، d و P - E - به ترتیب چگالی اتمی هدف برحسب g/cm3، ضخامت هدف برحسب cm و تابع توزیع شار پروتونها در هدف میباشند. و بقیه پارامترها نیز همانند معادله - 1 - است.
نتایج محاسبات در جدول3 نشان داده شدهاند. در این جدول نتایج برای پرتودهی هدف به مدت زمان یک ساعت گزارش شدهاند. والدوینوس وهمکاران [5] نیز پرتودهی ایزوتوپهای کلسیم برای تولید ایزوتوپ 44Sc با انرژی 15/5 MeV در جریان 25 A به مدت یک ساعت را بررسی کردند. در عمل بهتر است پرتودهی در 2 یا سه نیمه عمر انجام شود.
بحث و نتیجهگیری
برای بررسی صحت کار به مقایسه بهره تولید نظری وشبیهسازی با یک نمونه تجربی برای یک واکنش پرداختیم. در سال 2018 طی تحقیقی که توسط الابیاد وهمکارانش [6] انجام گرفت بهره تولید ایزوتوپ اسکاندیم 44 از هدف کلسیم 44 که 9 99/ درصد غنی شده و به شکل پودر کلسیم اکسید بوده برای بازه انرژی 15 MeV؛5 که به مدت یک ساعت پرتودهی شده است مقدار 1/20 GBq/ A.h بدست آمده است.
در طی شرایطی مشابه به گونهای که هدف را به صورت کلسیم اکسید غنی شده از ایزوتوپ کلسیم 44 در نظر گرفتیم برای یک ساعت پرتودهی با جریان 0/1 میکرو آمپر در همان بازه انرژی ذکر شده برای بهره تولید نظری وشبیه سازی به ترتیب مقادیر 1/69 GBq/ A.h و 1/54 GBq/ A.hبدست آوردیم که توافق نسبتا خوبی با مقدار تجربی دارد با توجه به توافق نسبتا خوبی که بین مقدار شبیهسازی و تجربی وجود داشت ما میتوانیم با شبیهسازی تولید رادیوایزوتوپها میزان بهره تولید آنها را بدست آورده و در صورت مناسب بودن به تولید آزمایشگاهی رادیوایزوتوپ مورد نظر بپردازیم.
